(57)【要約】【課題】  スイッチング機能を備えた小型な光半導体装置とその駆動方法を提供すること。【解決手段】  基板５０と、回折格子５２ａ、活性層５４、及び屈折率制御層６０を含む構造体６１と、活性層用電極９２ａ、屈折率制御層用電極９２ｂ、及びスイッチング用電極９２ｃとを備えたレーザ素子１００を有し、スイッチング用電極９２ｃから活性層５４にスイッチング電流が供給されていない状態で活性層用電極９２ａから活性層５４に予備バイアス電流を予め供給しておき、次いで、活性層用電極９２ａから活性層５４に活性用電流Idriveを供給しながら、スイッチング用電極９２ｃから活性層５４の一部にスイッチング電流Iswを供給してレーザ素子１００をオン状態にすると共に、スイッチング電流Iswの供給を停止してレーザ素子１００をオフ状態にすることを特徴とする光半導体装置による。【選択図】  図２６
2006286928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の一方の面上に形成され、少なくとも回折格子、電流注入により光を発生する活性層、及び電流注入により屈折率が変化する屈折率制御層を含む構造体と、
前記構造体の上方と前記半導体基板の他方の面上のいずれかに、互いに独立して形成された活性層用電極、屈折率制御層用電極、及びスイッチング用電極とを備えたレーザ素子を有し、
前記スイッチング用電極から前記活性層の一部にスイッチング電流が供給されていない状態で、前記活性層用電極から前記活性層に活性層用予備バイアス電流を供給すると共に、前記屈折率制御層用電極から前記屈折率制御層に屈折率制御層用バイアス電流を予め供給しておき、次いで、前記活性層用電極から前記活性層に活性用電流を供給しながら、前記スイッチング用電極から前記活性層の一部にスイッチング電流を供給して前記レーザ素子をオン状態にすると共に、
前記スイッチング電流の供給を停止して前記レーザ素子をオフ状態にすることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記レーザ素子が少なくとも二つ設けられ、一方の該レーザ素子がオン状態のときに、他方の前記レーザ素子に前記予備バイアス電流を供給しておき、
前記一方のレーザ素子をオフ状態にするときに、前記他方のレーザ素子へ前記スイッチング電流を供給して前記他方のレーザ素子をオン状態にすることにより、前記一方のレーザ素子から前記他方のレーザ素子にレーザ出力を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記レーザ素子毎に設けられ、該レーザ素子からの光信号が通る光導波路と、
前記光導波路のそれぞれを通った前記光信号を結合する光結合器と、
前記光結合器から出力された前記光信号の強度を増幅する光増幅器とを有することを特徴とする請求項２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記活性層用予備バイアス電流の電流密度は、前記レーザ素子がオン状態のときの前記活性用電流の電流密度よりも大きく設定されたことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記スイッチング用電極は、前記レーザ素子の出力端に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記構造体は、
前記回折格子と、
前記回折格子の上に形成されたスペーサ層と、
前記スペーサ層の上において、レーザの発振方向に交互に配列された前記活性層及び前記屈折率制御層と、
前記活性層上と前記屈折率制御層上とに形成されたクラッド層とを有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項７】
前記構造体は、
前記回折格子と、
前記回折格子の上に形成されたスペーサ層と、
前記スペーサ層の上に形成された前記屈折率制御層と、
前記屈折率制御層の上に形成された中間層と、
前記中間層の上に形成された前記活性層と、
前記活性層の上に形成されたクラッド層とを有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項８】
半導体基板と、
前記半導体基板の一方の面上に形成され、少なくとも回折格子、電流注入により光を発生する活性層、及び電流注入により屈折率が変化する屈折率制御層を含む構造体と、
前記構造体の上方と前記半導体基板の他方の面上のいずれかに、互いに独立して形成された活性層用電極、屈折率制御層用電極、及びスイッチング用電極とを備えたレーザ素子を有する光半導体装置の駆動方法であって、
前記スイッチング用電極から前記活性層にスイッチング電流が供給されていない状態で、前記活性層用電極から前記活性層に活性層用予備バイアス電流を供給すると共に、前記屈折率制御層用電極から前記屈折率制御層に屈折率制御層用バイアス電流を予め供給しておき、次いで、前記活性層用電極から前記活性層に活性用電流を供給しながら、前記スイッチング用電極から前記活性層の一部にスイッチング電流を供給して前記レーザ素子をオン状態にすると共に、
前記スイッチング電流の供給を停止して前記レーザ素子をオフ状態にすることを特徴とする光半導体装置の駆動方法。
【請求項９】
前記レーザ素子が少なくとも二つ設けられ、一方の該レーザ素子がオン状態のときに、他方の前記レーザ素子に前記予備バイアス電流を供給しておき、
前記一方のレーザ素子をオフ状態にするときに、前記他方のレーザ素子へ前記スイッチング電流を供給して前記他方のレーザ素子をオン状態にすることにより、前記一方のレーザ素子から前記他方のレーザ素子にレーザ出力を切り替えることを特徴とする請求項８に記載の光半導体装置の駆動方法。
【請求項１０】
前記活性層用予備バイアス電流の電流密度を、前記レーザ素子がオン状態における前記活性用電流の電流密度よりも大きく設定することを特徴とする請求項８に記載の光半導体装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体装置とその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の通信需要の飛躍的な増大に伴い、波長の異なる複数の光信号を多重化して一本の光ファイバで大容量伝達を可能にする波長多重通信システム(WDMシステム: Wavelength Division Multiplexing システム)の開発が進んでいる。その波長多重通信システムでは、柔軟且つ高度な通信システムを実現するうえで、広い波長範囲で高速に所望の波長を選択して出力できる波長可変光半導体装置が強く求められている。
【０００３】
このような広帯域の波長可変光半導体装置の一例として、一つの共通基板の上に、数nm〜数１０nmの波長可変範囲を持つ波長可変レーザ素子を複数集積してなるアレイ集積型の波長可変光半導体装置が提案されている。
【０００４】
図１は、そのアレイ集積型の波長可変光半導体装置の斜視図である。この波長可変光半導体装置では、化合物半導体基板１の上に、発振波長が僅かずつずれた複数の波長可変レーザ素子２が集積される。そして、その波長可変レーザ素子２の各々は曲がり導波路３と接合されており、導波路３の出力端に設けられた光結合器４を経て光増幅器５に入力され、増幅された後外部に出力される。
【０００５】
このようなアレイ集積型の波長可変光半導体装置において、広帯域且つ高速波長可変動作を実現するには、一つ一つのレーザ素子２の波長可変範囲が広く、且つ波長可変動作が速いことが要求される。
【０００６】
非特許文献１では、上記した波長可変レーザ素子２としてDBR(Distributed Bragg Reflector)レーザを使用する点が開示されている。
【０００７】
図２は、そのDBRレーザの断面図である。DBRレーザは、活性領域１８ａ、位相制御領域１８ｂ、及び回折格子領域１８ｃに大別される。そして、回折格子領域１８ｃにおける化合物半導体基板１０上に回折格子１１が形成され、n型化合物半導体よりなるスペーサ層１２によって回折格子１１が埋め込まれる。また、活性領域１８ａにおけるスペーサ層１２上に活性層１４が形成されると共に、位相制御領域１８ｂと回折格子領域１８ｃのそれぞれにおけるスペーサ層１２上に、活性層１４よりもバンドギャップが広くレーザ光を吸収し難い屈折率制御層１３が形成される。更に、これら屈折率制御層１３と活性層１４のそれぞれの上には、p型化合物半導体よりなるクラッド層１５が形成され、このクラッド層１５の上に第１〜第３電極１６ａ〜１６ｃが形成される。そして、化合物半導体基板１０の裏面には、接地電極１７が形成される。
【０００８】
このようにしてなるDBRレーザでは、第１電極１６ａから活性層１４に活性用電流Iactを注入してレーザ光１９を発生させる。そして、活性用電流Iactとは独立に、第２電極１６ｂから屈折率制御層１３に位相制御用電流Ipsを注入することにより、プラズマ効果でレーザ光１９の位相を調節する。更に、第３電極１６ｃから屈折率制御層１３に屈折率制御用電流IDBRを注入して、そのIDBRの電流量を調節することにより、レーザ光１９の感じる回折格子１１の周期を変化させ、出力光の波長を数nmの範囲で変化させる。
【０００９】
また、特許文献１では、図１で説明した波長可変レーザ素子２としてTTG-DFB(Tunable Twin Guide-Distributed Feedback)レーザを使用する点が開示されている。
【００１０】
図３は、このTTG-DFBレーザの断面図である。TTG-DFBレーザは、化合物半導体基板２０の上に、回折格子２１、p型化合物半導体よりなるスペーサ層２２、屈折率制御層２３、p型半導体層よりなる中間層２４、屈折率制御層２３よりも組成波長が長い活性層２５、及びp型化合物半導体よりなるクラッド層２６をこの順に形成してなる。
【００１１】
そして、中間層２４が接地されると共に、活性層２５に活性用電流Iactを注入するための第１電極２７がクラッド層２６上に形成され、活性用電流Iactと独立して屈折率制御層２３に屈折率制御用電流Ituneを注入するための第２電極２８が化合物半導体基板２０の裏面に形成される。
【００１２】
このようなTTG-DFBレーザでは、活性層２５に活性用電流Iactを注入してレーザ光２９を発生させる。そして、Ituneの電流量を調節して屈折率制御層２３のキャリア密度を変えることにより、屈折率制御層２３の屈折率を変える。これにより、レーザ光２９が感じる回折格子２１の周期が変化し、出力光の波長を変化させることが可能となる。
【００１３】
図２で説明したDBRレーザや、図３で説明したTTG-DFBレーザは、いずれも屈折率制御層１３、２３への電流注入により発振波長を変化させるため、ナノ秒オーダーでの波長切り替え動作が可能である。また、一個のレーザ素子あたりの波長可変範囲は、DBRレーザでは１０nm以上、TTG-DFBレーザでは７nm以上が報告されており、一つの基板上に４〜７個のレーザ素子２（図１参照）を集積することによって、WDM通信で重要な１５３０〜１５６０nm（Cバンド）の範囲で波長可変動作が可能になる。
【００１４】
上記した以外にも、本発明に関連する技術が下記の特許文献２〜５にも開示されている。
【００１５】
そのうち、特許文献２には、その第１図に記載されるように、波長が可変な３電極DBRレーザを変調器と共に集積する点が開示される。
【００１６】
また、特許文献３には、その第６図に記載されるように、３電極DFBレーザにおいて、波長制御時の出力変動を光検出素子で検出し、その検出信号に基づいて、光出力制御回路が光出力制御用電極に電流をフィードバックしてレーザ光の強度を一定に保つ点が開示される。
【００１７】
一方、特許文献４には、その図７と段落番号００３５に記載されるように、DFBレーザの活性領域を二分割し、それぞれの活性領域の電極を独立に制御することにより偏波面を制御する点が開示されている。
【００１８】
更に、特許文献５には、その図２１と段落番号００４１に記載されるように、光をスキャンする半導体レーザアレイにおいて、導波方向にも電極を複数形成して、それらの電極に電流を順次供給することにより、光強度のピーク位置をシフトさせる点が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２３５６００号公報
【特許文献２】特許第２８９１７４１号公報
【特許文献３】特許第２９６６４８５号公報
【特許文献４】特開平８−１７２２３７号公報
【特許文献５】特開平８−９７５０５号公報
【非特許文献１】ECOC2003 PROCEEDING vol.4 pp887 (Th1.2.4)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ところで、図１に示したアレイ集積型光半導体装置では、一つのレーザ素子２が担う波長範囲を超えたレーザ光を出力する場合に、その波長のレーザ光を出力可能な別のレーザ素子２に動作を切り替える必要がある。このような切り替え動作に要する時間には、これから動作させようとするレーザ素子２に電流（IDBR、Itune）を注入して、そのレーザ素子２が熱平衡状態に達するまでの時間が含まれる。熱平衡に必要な時間は数ミリ秒オーダーであるため、レーザ素子２の切り替え時間は結局数ミリ秒の時間となるが、これではWDMシステムに要求される高速な波長選択を実現するのは難しい。
【００２０】
図４は、波長選択を高速化するために提案されている光半導体装置の平面図である。
【００２１】
この光半導体装置は、レーザアレイ領域３０ａ、スイッチ領域３０ｂ、導波路領域３０ｃ、光結合領域３０ｄ、及び光増幅領域３０ｅが画定された化合物半導体領域３０を有する。
【００２２】
そして、レーザアレイ領域３０ａの化合物半導体基板３０上には、発振用活性層３３と、該発振用活性層３３よりも組成波長が短くレーザ光を吸収し難い屈折率制御層３４とがレーザ発振方向に交互に配列される。更に、発振用活性層３３と屈折率制御層３４のそれぞれの上には、これらの層に独立に電流を注入するための活性層用電極３１と屈折率制御層用電極３２とが形成される。
【００２３】
そして、レーザ領域３０ａには、上記した各層３３、３４と各電極３１、３２とで構成されるレーザ素子３５が複数配列されており、発振用活性層３３の組成と、屈折率制御層３４への電流量とを各レーザ３５で変えることにより、それぞれのレーザ素子３５の発振波長が僅かずつ変えられている。
【００２４】
一方、スイッチ領域３０ｂにおける化合物半導体基板３０上には、レーザ光を吸収し易くするために既述の発振用活性層３３と同じ組成波長を有するスイッチング用活性層３７が形成される。更に、このスイッチング用活性層３７上には、該活性層３７へ電流を注入するためのスイッチング電極３６が設けられ、このスイッチング電極３６と活性層３７とでゲート素子３８が構成される。
【００２５】
ゲート素子３８は、スイッチング電極３６からスイッチング用活性層３７に電流を注入することによりオン状態となり、レーザ素子３５で発生したレーザ光が後段の光導波路３９に通される。一方、その電流の注入を停止すると、レーザ光がスイッチング用活性層３７に吸収され、ゲート素子３８はオフ状態となる。
【００２６】
オン状態のゲート素子３８を通ったレーザ光は、導波路領域３０ｃに形成された導波路３９を通った後、光結合領域３０ｄに形成されている光結合器４０に入力される。
【００２７】
そして、レーザ光は、光結合器４０の後段に接続されている導波路３９を通り、光増幅領域３０ｅに形成されている光増幅器４３に入力される。
【００２８】
その光増幅器４３は、レーザアレイ領域３０ａにおける発振用活性層３３と同じ組成波長の増幅用活性層４１と、この増幅用活性層４１に電流を注入してレーザ光を増幅する増幅電極４２とを有する。増幅用活性層４１に電流が注入された状態において、この光増幅器４３にレーザ光が入力されると、活性層４１内においてレーザ光が増幅され、最終的には強度が強められた出力光４９が光増幅器４３から外部に出力されることになる。
【００２９】
このような光半導体装置では、第１のレーザ素子３５から第２のレーザ素子３５に出力を切り替える前に、第２のレーザ素子３５においてレーザを予め発振させておく。そして、その第２のレーザ素子３５の後段のゲート素子３８をオフ状態にしてレーザが漏れないようにしておき、第１のレーザ素子３５から第２のレーザ素子３５に出力を切り替える際に上記のゲート素子３８をオン状態にし、第２のレーザ素子３５から出力されるレーザ光を導波路３９に導くようにする。
【００３０】
これによれば、出力を切り替える前に、第２のレーザ素子３５が既にレーザ発振を行っているので、切り替えに要する時間はゲート素子３８のオン・オフの時間のみとなり、その時間には熱平衡に達するまでの時間が含まれず、図１の例と比較して切り替え動作が高速化される。
【００３１】
ところで、この光半導体装置では、レーザを切り替える前に、レーザ素子３５で予め発振されているレーザ光が後段に漏れるとノイズの原因になるので、レーザ素子３５で発振されているレーザ光を十分に吸収すべく、ゲート素子３８を構成するスイッチング用活性層３７とスイッチング電極３６のそれぞれの長さL0を十分長くする必要がある。
【００３２】
しかしながら、これでは、その長さL0の分だけ光半導体装置が大型化して、近年求められている光半導体装置の小型化の要求を満たすことができない。
【００３３】
しかも、この光半導体装置では、ゲート素子３８を形成するのに余計な工程が必要なため、全体の製造工程が長くなり、最終的に作製される光半導体装置の製造コストが上昇してしまう。
【００３４】
これと同様に、特許文献２に開示される光半導体装置でも、変調器の長さの分だけ装置が大型化するので、小型化の要求を満たすことができない。
【００３５】
本発明の目的は、スイッチング機能を備え、且つ波長が可変で小型化可能な光半導体装置とその駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
本発明の一観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板の一方の面上に形成され、少なくとも回折格子、電流注入により光を発生する活性層、及び電流注入により屈折率が変化する屈折率制御層を含む構造体と、前記構造体の上方と前記半導体基板の他方の面上のいずれかに、互いに独立して形成された活性層用電極、屈折率制御層用電極、及びスイッチング用電極とを備えたレーザ素子を有し、前記スイッチング用電極から前記活性層の一部にスイッチング電流が供給されていない状態で、前記活性層用電極から前記活性層に活性層用予備バイアス電流を供給すると共に、前記屈折率制御層用電極から前記屈折率制御層に屈折率制御層用バイアス電流を予め供給しておき、次いで、前記活性層用電極から前記活性層に活性用電流を供給しながら、前記スイッチング用電極から前記活性層の一部にスイッチング電流を供給して前記レーザ素子をオン状態にすると共に、前記スイッチング電流の供給を停止して前記レーザ素子をオフ状態にする光半導体装置が提供される。
【００３７】
本発明によれば、レーザ素子がオン状態となる前に、活性層と屈折率制御層のそれぞれに、活性層用予備バイアス電流と屈折率制御層用予備バイアス電流とを予め供給しておくので、レーザ素子をオン状態にする際には、これら活性層と屈折率制御層内のキャリア密度等が既に熱平衡状態になっている。従って、オン状態のレーザ素子から発振されるレーザ光は、キャリア密度の熱的な揺らぎに伴う波長の不安定さが抑制されており、レーザ波長の安定した高品位な光半導体装置を提供することが可能となる。
【００３８】
そのようなレーザ素子を上記の光半導体装置に少なくとも二つ設けてもよい。その場合は、一方のレーザ素子がオン状態のときに、他方のレーザ素子に上記予備バイアス電流を供給しておく。そして、一方のレーザ素子をオフ状態にするときに、他方のレーザ素子へスイッチング電流を供給して他方のレーザ素子をオン状態にすることにより、一方のレーザ素子から他方のレーザ素子にレーザ出力を切り替える。
【００３９】
このようなレーザ出力の切り替え動作によれば、予備バイアス電流によって、他方のレーザ素子の活性層内のキャリア密度等が予め熱平衡状態になっているので、その活性層が熱的に安定するのを待たなくても、他方のレーザ素子をすぐさまオン状態にすることができる。これにより、一方のレーザ素子から他方のレーザ素子にスイッチングするのに必要な時間を、キャリア密度が熱平衡状態に達するまでの時間だけ高速化することができると共に、熱的不安定さに伴う波長シフトが低減された高品位なレーザ光をレーザ素子から出力することができる。
【００４０】
また、上記した活性層用予備バイアス電流の電流密度を、レーザ素子がオン状態における活性用電流の電流密度よりも大きく設定してもよい。
【００４１】
このようにすると、活性層用予備バイアス電流が注入された活性層が、レーザ発振時よりも高い温度に予め加熱される。そのため、オフ状態においてスイッチング電流が供給されない部分の活性層の温度が、活性層用予備バイアス電流が注入される部分の活性層からの熱拡散によって予め高められる。これにより、レーザ素子をオン状態にしても、オフ状態のときに活性層用予備バイアス電流が注入されなかった部分の活性層におけるキャリアが短時間に熱平衡状態に達するので、この活性層でのレーザ発振の波長の揺らぎを防止でき、上記よりも更に高品位なレーザ光を得ることが可能となる。
【００４２】
そして、上記したスイッチング用電極を、レーザ素子の出力端に形成してもよい。
【００４３】
このようにすれば、出力端よりも手前の活性層で発生する自然放出光が、出力端に設けられたスイッチング用電極下の活性層で吸収されるので、レーザ素子の後段に自然放出光が漏れるのを効果的に防止することが可能となる。
【００４４】
また、本発明の別の観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板の一方の面上に形成され、少なくとも回折格子、電流注入により光を発生する活性層、及び電流注入により屈折率が変化する屈折率制御層を含む構造体と、前記構造体の上方と前記半導体基板の他方の面上のいずれかに、互いに独立して形成された活性層用電極、屈折率制御層用電極、及びスイッチング用電極とを備えたレーザ素子を有する光半導体装置の駆動方法であって、前記スイッチング用電極から前記活性層にスイッチング電流が供給されていない状態で、前記活性層用電極から前記活性層に活性層用予備バイアス電流を供給すると共に、前記屈折率制御層用電極から前記屈折率制御層に屈折率制御層用バイアス電流を予め供給しておき、次いで、前記活性層用電極から前記活性層に活性用電流を供給しながら、前記スイッチング用電極から前記活性層の一部にスイッチング電流を供給して前記レーザ素子をオン状態にすると共に、前記スイッチング電流の供給を停止して前記レーザ素子をオフ状態にする光半導体装置の駆動方法が提供される。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、レーザ素子をオン状態にする前に、レーザ素子の活性層と屈折率制御層のそれぞれに活性層用予備バイアスと屈折率制御層用予備バイアスとを供給しておくので、スイッチング電流を供給してレーザ素子をオン状態にしても、活性層や屈折率制御層内のキャリア密度の熱的な揺らぎに伴うレーザ波長の不安定化を防ぐことができる。
【００４６】
また、そのようなレーザ素子を二つ以上設け、一方のレーザ素子がオン状態のときに他方のレーザ素子に予備バイアス電流を供給して活性層を熱平衡状態にしておくので、レーザ波長が不安定になるのを防ぎつつ、他方のレーザ素子への切り替えを高速に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
（１）第１実施形態
本発明の第１実施形態に係る光半導体装置について、その製造工程を追いながら説明する。
【００４８】
図５〜図２０は、本実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図であり、図２１〜図２４はその平面図である。
【００４９】
最初に、図５に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【００５０】
まず、レーザアレイ領域A、導波路領域B、光結合領域C、及び光増幅領域Dを有するn型InP基板（半導体基板）５０上に、MOCVD(Metal Organic CVD)法により、バッファ層５１としてn型InP層を厚さ約１μmに形成する。そのバッファ層５１にドープされるn型不純物は特に限定されないが、本実施形態ではS(硫黄:sulfur)をそのn型不純物として採用する。次いで、そのバッファ層５１の上に、n型不純物としてSがドープされたn型InGaAsP層をMOCVD法により厚さ約０．０７μmに形成し、それを半導体層５２とする。そのMOCVD法では、原料ガスの流量を調節することにより、半導体層５２を構成するn型InGaAsPの組成波長が約１．２μmになるように、In、Ga、As、及びPのそれぞれの組成比が設定される。
【００５１】
図２１は、この工程を終了した後の断面図である。
【００５２】
図２１に示されるように、InP基板５０には、最終的にはレーザアレイ領域Aに四個の波長可変レーザ素子１００〜１０３が形成されると共に、レーザアレイ領域Aの後段の各領域C〜Dには、それぞれ光導波路７４、光結合器７６、及び光増幅器９８が形成される。
【００５３】
そして、上記した図５において、レーザアレイ領域Aの第１断面は、図２１のA1−A1線に沿う断面に相当し、第２断面は図２１のA2−A2線に沿う断面に相当する。また、図５の導波路領域B、光結合領域C、及び光増幅領域Dの断面は、それぞれ図２１のB1−B1線、C1−C1線、及びD1−D1線に沿う断面図に相当する。
【００５４】
次に、図６に示すように、例えばEB(Electron Beam)露光により得られた不図示のレジストパターンを全面に形成し、それをマスクにしながらRIE(Reactive Ion Etching)により半導体層５２を途中の深さまでエッチングする。これにより、レーザアレイ領域Aにおける半導体層５２の表面に、レーザの発振方向に約２４０nmの周期で繰り返す凹凸が形成され、レーザアレイ領域Aにおける半導体層５２が回折格子５２ａとなる。
【００５５】
一方、レーザアレイ領域A以外の導波路領域B、光結合領域C、及び光増幅領域Dにおける半導体層５２は、上記のレジストパターンで覆われているためエッチングされない。その後にレジストパターンは除去される。
【００５６】
次に、図７に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【００５７】
まず、MOCVD法により半導体層５２の上にスペーサ層５３としてn型InP層を形成し、回折格子５２ａの表面の凹凸をそのスペーサ層５３で完全に埋め込む。そのスペーサ層５３の厚さは特に限定されないが、本実施形態では、半導体層５２の平坦面上で約０．１μmの厚さとする。また、スペーサ層５３を構成するn型InP層にドープされるn型不純物としては例えばSが採用される。
【００５８】
その後に、スペーサ層５３の上に、MOCVD法を用いて、下部SCH(Separate Confinement Heterostructure)層、４元歪みMQW(Multi Quantum Well)層、及び上部SCH層をこの順に積層してなるSCH-MQW構造の活性層５４を形成する。その活性層５４を構成する下部SCH層と上部SCH層は、例えば、組成波長が約１．１５μmで厚さが約２０nmのInGaAsP層よりなる。また、４元歪みMQW層は、組成波長が約１．５８μmで厚さが約５nmのInGaAsP層よりなるウエル層と、組成波長が約１．３μmで厚さが約１０nmのInGaAs層よりなるバリア層とを交互に１０層だけ積層してなる。
【００５９】
続いて、図８に示すように、p型不純物としてZn(亜鉛:zinc)がドープされたp型InP層をMOCVD法により活性層５４の上に厚さ約０．２μmに形成し、それを第１クラッド層５６ａとする。
【００６０】
そして、その第１クラッド層５６ａの上に、スパッタ法等によりSiO2層を厚さ約３００nmに形成し、更にEBリソグラフィ等によりこのSiO2層をパターニングして第１マスク層５８とする。レーザアレイ領域Aにおける第１マスク層５８には、上記のEBリソグラフィによって、複数の第１窓５８ａがレーザの発振方向に間隔をおいて形成される。
【００６１】
次いで、図９に示すように、第１マスク層５８をエッチングマスクにするエッチングにより、上記の第１窓５８ａを通じてその下の第１クラッド層５６ａと活性層５４とを順次エッチングして、後で屈折率制御層が形成される部分に第１開口５９を形成する。
【００６２】
次に、図１０に示すように、MOCVD法により不図示のバッファ層として厚さ約０．１μmのn型InP層を第１開口５９内に形成した後、その上にMOCVD法で屈折率制御層６０を形成する。その屈折率制御層６０は、例えば組成波長が１．３μmで厚さが２００nmのInGaAsP層である。
【００６３】
このように屈折率制御層６０を形成したことにより、レーザアレイ領域Aの半導体基板５０の上方には、活性層５４と屈折率制御層６０とがレーザの発振方向に交互に配列されたことになる。その配列のピッチは特に限定されないが、本実施形態では約３０μmのピッチでこれらの活性層５４と屈折率制御層６０が周期的に配列される。
【００６４】
その後、MOCVD法により、その屈折率制御層６０の上に、第２クラッド層５６ｂとしてp型InP層を厚さ約０．２μmに形成し、この第２クラッド層５６ｂで第１開口５９を完全に埋め込む。第２クラッド層５６ｂは、第１クラッド層５６ａと共にクラッド層５６を構成し、更にこのクラッド層５６は、その下の活性層５４、屈折率制御層６０、スペーサ層５３、及び回折格子５２ａと共に構造体６１を構成する。
【００６５】
なお上記した屈折率制御層６０と第２クラッド層５６ｂとを形成するためのMOCVD法では、SiO2よりなる第１マスク層５８上には膜が成長せず、第１開口５９内にのみ上記した各層５６ｂ、６０が成長する。
【００６６】
次に、図１１に示すように、SiO2よりなる第１マスク層５８を緩衝フッ酸溶液でエッチングして除去する。
【００６７】
そして、図１２に示すように、スパッタ法により全面に再びSiO2層を形成し、EBフォトリソグラフィ又は光フォトリソグラフィによってそのSiO2層をパターニングして第２マスク層６２とする。
【００６８】
その第２マスク層６２には、上記のリソグラフィの結果、導波路領域Bにおいて後で導波路となる部分の上に第２窓６２ａが形成されると共に、光結合領域Cに第３窓６２ｂが形成される。
【００６９】
図２２は、この工程を終了した後の平面図である。そして、上記の図１２のレーザアレイ領域Aにおける第１断面は、図２２のA3−A3線に沿う断面図に相当し、第２断面は図２２のA4−A4線に沿う断面図に相当する。また、図１２の各領域B〜Dの断面図は、それぞれ図２２のB2−B2線、C2−C2線、及びD2−D2線に沿う断面図に相当する。
【００７０】
続いて、図１３に示すように、上記の第２、第３窓６２ａ、６２ｂを通じて、RIEによりクラッド層５６、活性層５４、及びスペーサ層５３をエッチングして第２、第３開口６４、６６を形成する。
【００７１】
次に、図１４に示すように、第２、第３開口６４、６６内に露出する半導体層５２上に、下部クラッド層６８としてInP層をMOCVD法により厚さ約０．１μmに形成する。更に、この下部クラッド層６８上に、MOCVD法で組成波長が約１．２〜１．３μmのInGaAsP層を厚さ約０．１５μmに形成してそれをコア層７０とした後、コア層７０上に上部クラッド層７２として厚さが約０．２μmのInP層をMOCVD法で形成する。
【００７２】
このようなMOCVD法では、SiO2よりなる第２マスク層６２上にInP層やInGaAsP層は成長せず、第１、第２開口６４、６６内にのみこれらの層が選択的に成長する。
【００７３】
そして、上記のようにして形成された下部クラッド層６８、コア層７０、及び上部クラッド層７２は、導波路領域Bの第１開口６４内において導波路７４を構成すると共に、光結合領域Cの第２開口６６内において光結合器７６を構成する。
【００７４】
この後に、図１５に示すように、緩衝フッ酸溶液をエッチング液とするウエットエッチングによりSiO2よりなる第２マスク層６２を除去する。
【００７５】
次いで、図１６に示すように、スパッタ法等により全面にSiO2層を厚さ約３００nmに形成し、更にEBリソグラフィ等によりこのSiO2層をパターニングして第３マスク層７８とする。その第３マスク層７８は、レーザアレイ領域A、導波路領域B、及び光増幅領域Dにおいてストライプ状の平面形状を有する。また、その第３マスク層７８の幅は、レーザアレイ領域A、導波路領域B、及び光増幅領域Dにおいて例えば１．５μm程度である。
【００７６】
続いて、図１７に示すように、この第３マスク層７８をエッチングマスクにするRIEにより、レーザアレイ領域Aのクラッド層５６からバッファ層５１の途中の深さまでをエッチングし、これらの層の積層体をメサストライプにする。更に、このエッチングでは、導波路領域Bと光結合領域Cにおいても、上部クラッド層７２からバッファ層５１の途中の深さまでがエッチングされて、これらの層の積層体がメサストライプになる。そして、光増幅領域Dも、第１クラッド層５６ａからバッファ層５１の途中の深さまでがエッチングされてメサストライプが得られる。
【００７７】
なお、上記した各領域におけるメサストライプの高さは特に限定されないが、本実施形態ではその高さを約１．５μmとする。
【００７８】
図２３は、この工程を終了した後の平面図である。そして、上記の図１７のレーザアレイ領域Aにおける第１断面は、図２３のA5−A5線に沿う断面図に相当し、第２断面は図２３のA6−A6線に沿う断面図に相当する。また、図１７の各領域B〜Dの断面図は、それぞれ図２３のB3−B3線、C3−C3線、及びD3−D3線に沿う断面図に相当する。
【００７９】
次に、図１８に示す断面形状を得るまでの工程について説明する。
【００８０】
まず、各領域のメサストライプの両脇に、MOCVD法により埋め込み層８２としてp型InP層を厚さ約１．５μmに形成し、その埋め込み層８２でメサストライプの側面を覆う。この埋め込み層８２を構成するp型InP層には、例えばZnがp型不純物としてドープされている。
【００８１】
次いで、この埋め込み層８２の上に、n型不純物としてSがドープされたn型InP層をMOCVD法で厚さ約０．４μmに形成し、それを電流ブロック層８４とする。
【００８２】
埋め込み層８２と電流ブロック層８４とを形成するMOCVD法では、メサの側面とバッファ層５１の上面にのみ選択的にInP層が成長し、SiO2よりなる第３マスク層７８上にはこれらの層は成長しない。
【００８３】
その後に、緩衝フッ酸溶液でその第３マスク７８をウエットエッチングして除去する。
【００８４】
続いて、図１９に示すように、埋め込み層８２と電流ブロック層８４のそれぞれの上に、MOCVD法によりp型InP層を厚さ約２．５μmに形成し、それをクラッド層の上側層８６とする。その上側層８６を構成するp型InP層にドープされるp型不純物は特に限定されないが、本実施形態ではZnをドープする。
【００８５】
次いで、クラッド層の上側層８６上に、p型不純物としてZnがドープされたp型InGaAs層をMOCVD法により厚さ約０．１μmに形成し、このp型InGaAs層をコンタクト層８８とする。
【００８６】
その後に、スパッタ法により、コンタクト層８８上に保護層９０としてSiO2層を約０．５μmの厚さに形成する。
【００８７】
次に、図２０に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【００８８】
まず、EBリソグラフィや光リソグラフィにより保護層９０をパターニングして、レーザアレイ領域Aにおける活性層５４と屈折率制御層６０のそれぞれの上方に、活性層用電極窓９０ａ、屈折率制御層用電極窓９０ｂ、及びスイッチング用電極窓９０ｃを形成する。そのパターニングでは、光増幅領域Dにおける保護層９０も除去され、光増幅領域Dのコンタクト層８８が露出する。
【００８９】
次いで、蒸着法により全面に厚さ約０．２μmのTi層と厚さ約０．２５μmのPt層とをこの順に形成する。そして、上記した窓９０ａ〜９０ｃのそれぞれの上に開口を備えためっきレジスト（不図示）をPt層の上に形成した後、その開口内に露出するPt層上にAu層を電解めっきにより厚さ約３．０μmに形成する。続いて、めっきレジストを除去した後、Auめっき層をマスクにして余分なTi層とPt層とをエッチングして除去する。
【００９０】
これにより、Ti層、Pt層、及びAu層をこの順に形成してなる金属積層膜が、窓９０ａ内に活性層用電極９２ａとして残されると共に、窓９０ｂ内に屈折率制御層用電極９２ｂとして残される。
【００９１】
これらの電極９２ａ、９２ｂは、図２０の第１断面において、それらの下方の活性層５４と屈折率制御層６０と同じ約３０μmのピッチでレーザの発振方向（メサストライプの延在方向）に交互に配列され、それぞれ活性層５４と屈折率制御層６０に選択的に電流を注入するように機能する。
【００９２】
図２０のレーザアレイ領域Aの第２断面には、活性層用電極９２ａが個片化されているように示されているが、後述するように、それぞれの活性層用電極９２ａは、メサストライプから離れたところで繋がっており、互いに電気的に接続されている。これについては屈折率制御層用電極９２ｂでも同様である。
【００９３】
更に、レーザアレイ領域Aの第２断面の中央部のスイッチング用電極窓９０ｃには、上記したTi層、Pt層、及びAu層の金属積層膜がスイッチング用電極９２ｃとして残される。スイッチング用電極９２ｃは、その下方の活性層５４に電流を注入するように機能する。
【００９４】
一方、光増幅領域Dにおけるコンタクト層８８上には、上記の金属積層膜が増幅用電極９２ｄとして残される。
【００９５】
その後に、InP基板５０の裏面に蒸着法によりAu-Ge合金層とAu層とをこの順に形成する。Au-Ge合金層は例えば約０．０５μmの厚さを有し、Au層は約０．２５μmの厚さを有する。更にこれらの金属層を給電層にして、上記したAu層の上に電解めっきにより更にAu層を厚さ約３．０μmに形成することにより、これらの金属積層膜で構成されるn側電極層９４をInP基板５０の裏面に形成する。
【００９６】
以上により、本実施形態に係る光半導体装置の基本構造が完成したことになる。
【００９７】
この光半導体装置では、レーザアレイ領域Aにおいて、既述の構造体６１、及びこの構造体６１の上方に形成された活性層用電極９２ａと屈折率制御層用電極９２ｂにより、波長可変レーザ素子１００が構成される。そのレーザ素子１００は、TDA(Tunable Distributed Amplifier)レーザとも呼ばれる。
【００９８】
そのレーザ素子１００においては、活性層用電極９２ａからの電流注入によって活性層５４においてレーザ発振が行われる。そして、レーザ素子１００のフィルタ波長は、回折格子５２ａの周期から定まる活性層５４のブラッグ波長をピークにした分布となる。
【００９９】
レーザ発振時には、活性層５４の隣の屈折率制御層６０にも屈折率制御層用電極９２ｂから電流が注入される。この時の電流の注入量を変えると、屈折率制御層６０におけるキャリア密度が変化して、結果的にはプラズマ効果によって屈折率制御層６０の屈折率も変化する。そして、このような屈折率の変化によって、回折格子５２ａの周期から決定される屈折率制御層６０のブラッグ波長も変化し、屈折率制御層６０のフィルタ波長も変化させることができる。
【０１００】
従って、活性層５４から発振されるレーザのうち、屈折率制御層６０のフィルタ波長に合う波長のレーザのみが取り出されることになり、屈折率制御層６０への電流注入量を変えることにより、レーザ素子１００から出力されるレーザの波長を変化させることが可能になる。
【０１０１】
一方、光増幅領域Dにおいては、活性層５４を含む光増幅器９８が形成され、増幅用電極９２ｄから活性層５４に注入される電流によって、活性層５４内を通る光信号の強度が増幅されて外部に出力される。
【０１０２】
図２５は、上記したレーザ素子１００の平面図であり、上記した図２０のレーザアレイ領域Aにおける第１断面は、図２５のA7−A7線に沿う断面図に相当し、第２断面は同図のA8−A8線に沿う断面図に相当する。
【０１０３】
図２５に示されるように、活性層用電極９２ａと屈折率制御層用電極９２ｂは、いずれも櫛歯状の平面形状を有しており、それらの櫛歯を組みあせるようにして既述の構造体６１の上に形成されると共に、活性層用電極９２ａの一部が切り離されてスイッチング用電極９２ｃにされる。
【０１０４】
図２４は、この光半導体装置の平面図である。なお、既述の図２０の各領域B〜Dの断面図は、それぞれ図２４のB4−B4線、C4−C4線、及びD4−D4線に沿う断面図に相当する。
【０１０５】
図２４に示されるように、この光半導体装置のレーザアレイ領域Aには、既述のレーザ素子１００の他に、該レーザ素子１００と同じ構造を有する更に三つの波長可変レーザ素子１０１〜１０３が形成される。
【０１０６】
各レーザ素子１００〜１０３は、それを構成する回折格子のピッチを変化させることにより発振波長が互いに僅かずつずれており、WDMにおいてそれぞれ別々のチャンネルを担う。更に、一つ一つのレーザ素子１００〜１０３も既述のようにレーザの発振波長が可変であり、各レーザ素子１００〜１０３のうちの一つでも複数のチャンネルを担うことができる。
【０１０７】
そして、各レーザ素子１００〜１０３から出力されたレーザは、光信号として導波路７４と光結合器７６とを通った後、光増幅器９８においてその強度が増幅され、外部に出力される。
【０１０８】
次に、この光半導体装置の更に詳細な動作について説明する。
【０１０９】
図２６は、レーザ素子１００の動作を説明するための断面図であり、図２４に示した残りの三つのレーザ素子１０１〜１０３もこれと同じ構造を有する。
【０１１０】
実使用下では、レーザ素子１００には図示のような活性用電流源１０６、スイッチング用電流源１０７、及び屈折率制御用電流源１０８が電気的に接続される。
【０１１１】
これらの電流源のうち、活性用電流源１０６は、活性層用電極９２ａに電気的に接続され、活性用電流Iactを活性層用電極９２ａに供給する。また、屈折率制御用電流源１０８は、屈折率制御層用電極９２ｂに電気的に接続されており、その屈折率制御層用電極９２ｂに屈折率制御用電流Ituneを供給する。
【０１１２】
一方、スイッチング用電流源１０７は、レーザ素子１００の中央部に配されたスイッチング用電極９２ｃに電気的に接続され、スイッチング用電流Iswをこのスイッチング用電極９２ｃに供給する。
【０１１３】
そして、これらの電流源１０７〜１０８は、制御部１０９から出力される制御信号S1〜S3によってそれらの電流量が制御される。
【０１１４】
このようにして各電流源１０６〜１０８から供給された電流Iact、Itune、及びIswは、活性層５４と屈折率制御層６０の長さl1、l2の総和をそれぞれL1、L2、スイッチ部の長さをLSWとすると、それぞれJact(=Iact/L1)、Jtune(=Itune/L2)、及びJsw(=Isw/LSW)の電流密度で各層５４、６０を流れることになる。なお、本明細書でいう電流密度とは、単位長さあたりの電流を指す。
【０１１５】
図２７は、これらの電流源１０６〜１０８による電流供給のタイミングチャートである。図２７と図２６を参照しながら、レーザ素子１００の発振前後における動作について説明する。
【０１１６】
まず、図２７に示すように、レーザ素子１００を発振させる前の時刻Tpに、電流密度がJdriveとなる電流を活性層５４に活性層用予備バイアス電流として予め供給しておく。この場合の電流密度Jdriveとは、後で活性層５４にレーザ発振を行わせる際に必要な活性用電流Idriveの電流密度である。
【０１１７】
これと同時に、屈折率制御層６０に対して、電流密度がJ0となる電流Ituneを屈折率制御層用予備バイアス電流として供給する。その電流密度J0は、レーザ駆動時に屈折率制御層６０に供給される電流の電流密度と同じであり、レーザ素子１００から発振するレーザ光の波長に応じて決定される。
【０１１８】
上記のように活性層用予備バイアス電流を供給すると活性層５４において自然放出光が発生するが、活性層用予備バイアス電流を供給した直後では、その活性層５４におけるキャリア密度が熱的に安定していないので、上記の自然放出光の波長は安定していない。
【０１１９】
そこで、このように波長が不安定な自然放出光でレーザ発振が起きるのを防ぐため、上記の時刻Tpでは、スイッチングとして機能する領域X（図２６参照）の活性層５４に電流Iswを供給せず、領域Xの活性層５４をオフ状態にしておく。以下では、この領域Xのことをスイッチング領域Xとも言う。
【０１２０】
既述のように、このスイッチング領域Xにおける活性層５４と、他の部分の活性層５４とは、同じ組成波長のInGaAsPよりなる。そのため、上記のようにして他の部分の活性層５４に活性層用予備バイアス電流が供給されてその活性層５４から自然放出光が発生しても、その自然放出光はスイッチング領域Xにおける活性層５４で吸収されるので、自然放出光がレーザ素子１００の内部で回折格子５２ａの上を往復することができず、レーザ素子１００においてレーザ発振は起こらない。
【０１２１】
その後、屈折率制御層６０、及びスイッチング領域X以外の活性層５４において、キャリア密度等が熱平衡状態に達するのに要する時間TE以上の時間が経過した後、時刻Tsにおいて、スイッチング領域Xにおける活性層５４に電流密度がJdriveとなるスイッチング電流Iswを供給する。
【０１２２】
このようにすると、スイッチング領域Xの活性層５４でも自然放出光が発生するようになり、スイッチング領域X以外の活性層５４で発生した自然放出光がスイッチング領域Xの活性層５４において吸収されなくなる。その結果、上記の自然放出光がレーザ素子１００内を自由に往復し、回折格子によって自然放出光の定在波が立つようになり、最終的にはその定在波による光子の誘導放出でレーザ素子１００がレーザ発振するようになる。
【０１２３】
このように、本実施形態では、スイッチング用電極９２ｃからスイッチング領域Xにおける活性層５４に電流を供給することによりレーザ素子１００をオン状態にすることができると共に、この電流の供給を停止することによりレーザ素子１００をオフ状態にすることができる。
【０１２４】
図２８は、このようなオン状態とオフ状態におけるレーザ素子１００の閾値電流を調査して得られたグラフである。
【０１２５】
図２８では、●で示される系列がオン状態での閾値電流Ithであり、■で示される系列がオフ状態での閾値電流である。
【０１２６】
また、この調査では、屈折率制御層６０への注入電流Ituneを様々に変えて屈折率制御層６０の屈折率nを変化させ、それぞれの屈折率において上記の閾値電流Ithが調査された。図２８の横軸に示されるΔnは、屈折率制御層６０に電流Ituneを注入しない場合を屈折率の基準にした場合の、屈折率制御層６０の屈折率nの変化量を示す。更に、この調査では、レーザ素子１００の共振器の軸方向の長さLtotalを７５０μmとした。
【０１２７】
図２８から明らかなように、上記した屈折率の変化量Δnを０％から−１．２％の範囲で変化させても、オン状態とオフ状態のそれぞれの閾値電流Ithが十分に離れている。このことから、スイッチング電流Iswによって、レーザ素子１００のオン状態とオフ状態とを明確に切り替えることができることが明らかとなった。
【０１２８】
以上説明した本実施形態によれば、図２７のタイミングチャートに示したように、まず、スイッチング領域X（図２６参照）においてスイッチとして機能する活性層５４に電流を供給せずにレーザ素子１００をオフ状態に保ちながら、スイッチング領域X以外の活性層５４に、電流密度がJdriveとなる電流を活性層用予備バイアス電流として供給すると共に、屈折率制御層６０に対し、電流密度がJ0となる電流を屈折率制御層用予備バイアス電流として供給する。
【０１２９】
そして、これら活性層５４と屈折率制御層６０内のキャリアが熱平衡状態に達するのに要する時間TEが経過した後、時刻Tsにおいてスイッチング領域Xの活性層５４に電流を供給してレーザ素子１００をオン状態にする。
【０１３０】
これによれば、時刻Tpから時刻Tsの間において、熱的に不安定となっているキャリアによって波長が不安定な自然放出光が発生しても、スイッチング領域Xの活性層５４によってその自然放出光が吸収されるので、波長が不安定なレーザ光が発振されるのを防ぐことができる。また、熱平衡状態に無い屈折率制御層６０に起因して波長が不安定になるのも防止できる。そして、キャリアが熱平衡状態に達して自然放出光の波長が安定する時刻Tsにおいてレーザ素子１００をオン状態にすることで、波長の安定したレーザ光を出力することが可能となる。
【０１３１】
しかも、本実施形態では、スイッチング電極９２ｃ下のスイッチング領域Xの活性層５４に電流を供給しないことにより、その活性層５４で自然放出光を吸収してレーザ発振が起きないようにし、レーザ素子１００をオフ状態にしている。これは、レーザ発振が起きている状態でレーザ光をゲート素子で無理やり吸収する図４の光半導体装置とは異なり、強度の弱い自然放出光をスイッチング領域Xの活性層５４で吸収しようというものである。従って、その活性層５４とスイッチング用電極９２ｃとの共振器軸方向の長さは、自然放出光よりもはるかに強度が強いレーザ光を吸収する図４のゲート素子３８の長さよりも格段に短くて済む。その結果、本実施形態では、図４の従来例と比較して光半導体装置のサイズを小型化することが可能となり、近年求められている光半導体装置の小型化の要求を十分に満たすことができるようになる。
【０１３２】
更に、本実施形態に係る光半導体装置は、活性層用電極９２ａの一部を切り離してスイッチング用電極９２ｃとするだけで作製可能である。そのため、スイッチング用電極９２ｃを形成しない一般的な光半導体装置の製造工程と比較して、工程の数を増やすこと無しに本実施形態に係る光半導体装置を得ることができ、製造コストの上昇を招くことなく既述のような高品位な光半導体装置を作製することが可能となる。
【０１３３】
（２）第２実施形態
本実施形態は、第１実施形態と比較して活性層用予備バイアスの電流量のみが異なり、これ以外については第１実施形態と同じである。
【０１３４】
図２９は、本実施形態に係る光半導体装置への電流供給のタイミングを示すタイミングチャートである。
【０１３５】
第１実施形態では、図２７に示したように、時刻Tpから時刻Tsの間に供給される活性層用予備バイアスの電流密度を、活性層５４でレーザ発振を行うのに必要なJdriveとした。
【０１３６】
これに対し、本実施形態では、時刻Tpから時刻Tsの間にスイッチング領域X以外の活性層５４に供給される活性層用予備バイアス電流の電流密度Jactを、図２７のJdriveよりも大きなJpreとする。このように、レーザ発振時に使用される電流密度Jdriveより大きな電流を活性層用予備バイアス電流として採用することにより、その予備バイアス電流が注入された活性層５４が、レーザ発振時よりも高い温度に加熱される。そのため、時刻Tpから時刻Tsの間のオフ状態において、スイッチング電流Iswが供給されないスイッチング領域Xの活性層５４の温度が、スイッチング領域X以外の活性層５４からの熱拡散によって予め高められる。これにより、時刻Tsにおいてレーザ素子１００をオン状態にしても、スイッチング領域Xの活性層５４におけるキャリア密度が短時間に熱平衡状態に達するので、スイッチング領域Xでの活性層５４でのレーザ発振の波長の揺らぎを防止でき、図２７の場合よりも更に高品位なレーザ光を得ることが可能となる。
【０１３７】
（３）第３実施形態
本実施形態では、第１実施形態の図２４で説明した光半導体装置において、各レーザ素子１００〜１０３の間のレーザ出力の切り替え動作について説明する。
【０１３８】
それぞれのレーザ素子１００〜１０３をどのような組み合わせで切り替えるかは任意であるが、以下では、説明の簡略化のために、レーザ素子１０１からレーザ素子１０２へ出力を切り替える場合について説明する。
【０１３９】
図３０は、その場合のレーザ出力の切り替え動作のタイミングチャートである。
【０１４０】
なお、以下では、第１実施形態の図２７で説明した各電流密度Jact、Jsw、及びJtuneについて、レーザ素子１０１における各電流密度をJact1、Jsw1、及びJtune1と書き、レーザ素子１０２における各電流密度をJact2、Jsw2、及びJtune2と書く。
【０１４１】
図３０の例では、時刻Tsにおいて、レーザ素子１０１からレーザ素子１０２にレーザ出力が切り替わる。
【０１４２】
その時刻Tsよりも前では、レーザ素子１０１に対し、既述の活性用電流Iact、スイッチング用電流Isw、及び屈折率制御用電流Ituneがそれぞれ図示のような電流密度Jact1、Jsw1、及びJtune1で供給されており、レーザ素子１０１においてレーザ発振が行われている。
【０１４３】
そして、時刻Tsよりも十分に前の時刻、例えば、活性層５４と屈折率制御層６０においてキャリア密度等が熱平衡状態に達するのに要する時間TEだけ時刻Tsから遡った時刻Tpにおいて、レーザ素子１０２に、既述のJdriveよりも大きな電流密度Jact2を持った活性用電流Iactが活性層用予備バイアス電流として供給され始める。
【０１４４】
この時刻Tpでは、レーザ素子１０２にスイッチング用電流Iswがまだ供給されていないので、レーザ素子１０２はオフ状態であり、上記のような活性用電流Iactが供給されてもレーザ素子１０２はレーザ発振を起こさない。
【０１４５】
また、この時刻Tpでは、屈折率制御用電流ItuneもJtune2の電流密度でレーザ素子１０２に供給され始める。時刻Tpから時刻Tsの間では、その屈折率制御用電流Ituneが屈折率制御層用バイアス電流となり、レーザ素子１０２における屈折率制御層６０のキャリア密度等が熱平衡状態にされる。
【０１４６】
次いで、活性用電流Iactや屈折率制御用電流Ituneによってレーザ素子１０２におけるキャリア密度等が熱平衡状態に達した後、切り替えの時刻Tsにおいて、レーザ素子１０２におけるスイッチング用電流IswがJsw2の電流密度でレーザ素子１０２に供給される。これにより、レーザ素子１０２がオン状態となり、レーザ素子１０２からレーザ光が出力されるようになる。
【０１４７】
一方、レーザ素子１０１では、時刻Tsにおいて、電流密度がJsw1のスイッチング用電流Isw1の供給が停止される。これにより、レーザ素子１０１は、時刻Ts以降にオフ状態となり、レーザ発振を行わなくなる。
【０１４８】
以上により、時刻Tsにおいて、レーザ素子１０１からレーザ素子１０２へのレーザ出力の切り替えが終了したことになる。
【０１４９】
このような切り替え動作によれば、切り替えが行われる時刻Tsよりも前に、レーザ素子１０２に対して、活性用電流Iact（電流密度Jact2）が活性層用予備バイアス電流として供給されると共に、屈折率制御用電流Itune（電流密度Jtune2）が屈折率制御層用バイアス電流として供給される。そのため、時刻Tsでは、レーザ素子１０２において、屈折率制御層６０とスイッチング領域X（図２６参照）以外の活性層５４のキャリア密度が既に熱平衡状態に達しており、活性層５４や屈折率制御層６０が熱的に安定するのを待たなくても、スイッチング用電流Isw(電流密度Jsw2)を供給してレーザ素子１０２をすぐさまオン状態にすることができる。その結果、レーザ素子１０１からレーザ素子１０２にスイッチングするのに必要な時間を、キャリア密度が熱平衡状態に達するまでの時間TEだけ高速化することができると共に、熱的不安定さに伴う波長シフトが低減された高品位なレーザ光をレーザ素子１０２から出力することができ、WDMの高性能化に大きく寄与することが可能となる。
【０１５０】
（４）第４実施形態
図３１は、本実施形態に係る光半導体装置が備えるレーザ素子１００の平面図であり、図３２は、このレーザ素子１００の動作を説明するための断面図である。同図において、第１実施形態で説明した要素には第１実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【０１５１】
既述の第１実施形態では、図２５の平面図に示したように、スイッチング用電極９２ｃをレーザ素子１００の中央部に形成した。
【０１５２】
これに対し、本実施形態では、図３１に示すように、レーザ素子１００の中央部１００ａの他に、出力端１００ｂにおける活性層５４の上方にもスイッチング用電極９２ｃを形成する。このような平面形状のスイッチング用電極９２ｃは、第１実施形態で説明した電極のパターニング工程（図２０参照）において、第１実施形態とは別のパターニング用のマスクを使用することで形成され得る。
【０１５３】
図３２に示されるように、実使用下では、第１実施形態で説明した活性用電流源１０６、スイッチング用電流源１０７、及び屈折率制御用電流源１０８がそれぞれの電極９２ａ〜９２ｃに電気的に接続される。
【０１５４】
これらの電流源１０７〜１０８を用いた電流供給のタイミングは第１実施形態と同じであり、図２７と図２９のどちらのタイミングで各電流Iact、Isw、及びItuneをそれぞれの電極９２ａ〜９２ｃに供給してよい。これらのうちのどちらのタイミングを採用しても、スイッチング用電流Iswを供給することにより、スイッチング用電極９２ｃを含むスイッチング領域Xにある活性層５４が、その他の活性層５４で発生した自然放出光を吸収しなくなるので、レーザ素子１００においてレーザ発振が行われ、レーザ素子１００がオン状態となる。一方、そのスイッチング用電流Iswの供給を停止すれば、スイッチング領域Xにおける活性層５４が、それ以外の活性層５４で発生した自然放出光を吸収するようになるので、上記のレーザ発振が停止し、レーザ素子１００はオフ状態となる。
【０１５５】
本実施形態では、上記のようにレーザ素子１００の出力端１００ｂにもスイッチング用電極９２ｃを配するので、レーザ素子１００がオフ状態のときに、出力端１００ｂよりも手前の活性層５４で発生した自然放出光が出力端の活性層５４で吸収され、第１実施形態と比較して、レーザ素子１００の後段に自然放出光が漏れるのを効果的に防止することが可能となる。その結果、オフ状態のレーザ素子１００からの漏れ光によるクロストークを抑止でき、誤動作が低減された高品位な光半導体装置を提供することが可能となる。
【０１５６】
（５）第５実施形態
既述の第１〜第４実施形態では、レーザ素子１００としてTDA型のものを形成した。これに対し、本実施形態では、光半導体装置が備えるレーザ素子としてTTG(Tunable Twin-Guide)型のものを形成する。
【０１５７】
図３３〜図４７は、本実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図であり、図４８〜図５１はその平面図である。これらの図において、第１〜第４実施形態で説明した要素にはこれらの実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【０１５８】
最初に、図３３に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【０１５９】
まず、第１実施形態で説明した図５及び図６の工程を行うことにより、図３３に示すように、InP基板５０上に、p型InPよりなる厚さ約１μmのバッファ層５１と、p型InGaAsPよりなる厚さ約０．０７μmの半導体層５２とを順に形成する。第１実施形態で説明したように、その半導体層５２は、約１．２μmの組成波長を有すると共に、レーザアレイ領域Aにおいて約２４０nmの周期の回折格子５２ａとなる。
【０１６０】
その後、MOCVD法により半導体層５２の上にスペーサ層５３としてp型InP層を形成し、回折格子５２ａの表面の凹凸をそのスペーサ層５３で完全に埋め込む。そのスペーサ層５３の厚さは、半導体層５２の上で約０．１μmである。
【０１６１】
次いで、スペーサ層５３の上に、MOCVD法により屈折率制御層６０を形成する。その屈折率制御層６０は、例えば組成波長が１．３μmで厚さが２００nmのInGaAsP層である。
【０１６２】
図４８は、この工程を終了した後の断面図である。
【０１６３】
図４８に示されるように、InP基板５０には、最終的にはレーザアレイ領域Aに四個のレーザ素子１４０〜１４３が形成されると共に、レーザアレイ領域Aの後段の各領域C〜Dには、それぞれ光導波路７４、光結合器７６、及び光増幅器９８が形成される。
【０１６４】
そして、上記した図３３において、レーザアレイ領域Aの第１断面は、図４８のA10−A10線に沿う断面に相当し、第２断面は図４８のA11−A11線に沿う断面に相当する。また、図３３の導波路領域B、光結合領域C、及び光増幅領域Dの断面は、それぞれ図４８のB10−B10線、C10−C10線、及びD10−D10線に沿う断面図に相当する。
【０１６５】
続いて、図３４に示すように、n型不純物としてSがドープされたn型InP層を屈折率制御層６０上にMOCVD法により厚さ約０．２μmに形成し、それを中間層１１０とする。
【０１６６】
更に、この中間層１１０の上に、MOCVD法を用いて、下部SCH層、４元歪みMQW層、及び上部SCH層をこの順に積層してなるSCH-MQW構造の活性層５４を形成する。その活性層５４を構成する下部SCH層と上部SCH層は、例えば、組成波長が約１．１５μmで厚さが約２０nmのInGaAsP層よりなる。また、４元歪みMQW層は、組成波長が約１．５８μmで厚さが約５nmのInGaAs層よりなるウエル層と、組成波長が約1.3μmで厚さが約１０nmのInGaAs層とを交互に10層だけ積層してなる。
【０１６７】
これにより、InP基板５０の一方の面上には、回折格子５２ａ、電流注入により光を発生する活性層５４、及び電流注入により屈折率が変化する屈折率制御層６０とを含む構造体１１１が形成されたことになる。
【０１６８】
次に、図３５に示すように、活性層５４の上にクラッド層５６としてp型InP層を厚さ約０．２μmに形成する。そのクラッド層５６は、MOCVD法により形成され、p型不純物として例えばZnがドープされている。
【０１６９】
その後に、スパッタ法により全面にSiO2層を形成し、EBフォトリソグラフィ又は光フォトリソグラフィによってそのSiO2層をパターニングして第１マスク層１１２とする。
【０１７０】
その第１マスク層１１２には、上記のリソグラフィの結果、導波路領域Bにおいて後で導波路となる部分の上に第１窓１１２ａが形成されると共に、光結合領域Cに第２窓１１２ｂが形成される。
【０１７１】
図４９は、この工程を終了した後の平面図である。そして、上記の図３５のレーザアレイ領域Aにおける第１断面は、図４９のA12−A12線に沿う断面図に相当し、第２断面は図４９のA13−A13線に沿う断面図に相当する。また、図３５の各領域B〜Dの断面図は、それぞれ図４９のB11−B11線、C11−C11線、及びD11−D11線に沿う断面図に相当する。
【０１７２】
続いて、図３６に示すように、上記の第１、第２窓１１２ａ、１１２ｂを通じて、RIEによりクラッド層５６からスペーサ層５３までをエッチングして、第１、第２開口１１４、１１６を形成する。
【０１７３】
次いで、図３７に示すように、第１、第２開口１１４、１１６内に露出する半導体層５２上に、下部クラッド層６８としてInP層をMOCVD法により厚さ約０．１μmに形成する。更に、この下部クラッド層６８上に、MOCVD法で組成波長が約１．２〜１．３μmのInGaAsP層を厚さ約０．１５μmに形成してそれをコア層７０とした後、コア層７０上に上部クラッド層７２として厚さが約０．２μmのInP層をMOCVD法で形成する。
【０１７４】
このようなMOCVD法では、SiO2よりなる第１マスク層１１２上にInP層やInGaAsP層は成長せず、第１、第２開口１１４、１１６内にのみこれらの層が選択的に成長する。
【０１７５】
そして、上記のようにして形成された下部クラッド層６８、コア層７０、及び上部クラッド層７２は、導波路領域Bの第１開口１１４内において導波路７４を構成すると共に、光結合領域Cの第２開口１１６内において光結合器７６を構成する。
【０１７６】
その後に、図３８に示すように、緩衝フッ酸溶液をエッチング液とするウエットエッチングによりSiO2よりなる第１マスク層１１２を除去する。
【０１７７】
次に、図３９に示すように、スパッタ法等により全面にSiO2層を厚さ約３００nmに形成し、更にEBリソグラフィ等によりこのSiO2層をパターニングして第２マスク層１１８とする。その第２マスク層１１８は、レーザアレイ領域A、導波路領域B、及び光増幅領域Dにおいてストライプ状の平面形状を有する。また、その第２マスク層１１８の幅は、レーザアレイ領域A、導波路領域B、及び光増幅領域Dにおいて例えば１．５μm程度である。
【０１７８】
続いて、図４０に示すように、この第２マスク層１１８をエッチングマスクにするRIEにより、レーザアレイ領域Aと光増幅領域Dにおけるクラッド層５６からバッファ層５１の途中の深さまでをエッチングし、これらの層の積層体を高さ約１．５μmのメサストライプにする。更に、このエッチングでは、導波路領域Bと光結合領域Cにおいても、上部クラッド層７２からバッファ層５１の途中の深さまでがエッチングされて、これらの層の積層体がメサストライプになる。
【０１７９】
図５０は、この工程を終了した後の平面図である。そして、上記の図４０のレーザアレイ領域Aにおける第１断面は、図５０のA14−A14線に沿う断面図に相当し、第２断面は図５０のA15−A15線に沿う断面図に相当する。また、図４０の各領域B〜Dの断面図は、それぞれ図５０のB12−B12線、C12−C12線、及びD12−D12線に沿う断面図に相当する。
【０１８０】
次に、図４１に示す断面形状を得るまでの工程について説明する。
【０１８１】
まず、各領域のメサストライプの両脇に、MOCVD法により、共に厚さが約０．５μmの第１n型InP層１２２と第１p型InP層１２４とを形成する。更に、このMOCVD法により、中間層１１０に接する第２n型InP層１２６を第１p型InP層１２４の上に厚さ約１．０μmに形成する。そして、そのMOCVD法による成長を更に続けることにより、共に厚さが約０．４μmの第２p型InP層１２８と第３n型InP層１３０とを第２n型InP層１２６上に形成する。
【０１８２】
このようにして形成された５層のInP層は、メサストライプの横で埋め込み層１２０を構成する。また、これらのInP層にドープされる不純物は特に限定されないが、n型不純物としては例えばSが採用され、p型不純物としてはZnが採用される。
【０１８３】
なお、この埋め込み層１２０を形成するMOCVD法では、メサの側面とバッファ層５１の上面にのみ選択的にInP層が成長し、SiO2よりなる第２マスク層１１８上にはこれらの層は成長しない。
【０１８４】
その後に、緩衝フッ酸溶液で第２マスク１１８をウエットエッチングして除去する。
【０１８５】
続いて、図４２に示すように、埋め込み層１２０の上に、MOCVD法により、p型不純物としてZnがドープされたp型InP層を厚さ約２．５μmに形成し、それをクラッド層の上側層８６とする。
【０１８６】
次いで、クラッド層の上側層８６上に、コンタクト層８８としてp型InGaAs層をMOCVD法により厚さ約０．１μmに形成する。そのコンタクト層８８にドープされるp型不純物としては、例えばZnがある。
【０１８７】
次に、図４３に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【０１８８】
まず、不図示のレジストパターンをマスクにするRIEにより、レーザアレイ領域Aのメサストライプの側方でコンタクト領域CRとなる部分をエッチングし、中間層１１０に接する第２n型InP層１２６の上面を露出させる。
【０１８９】
続いて、スパッタ法により全面に保護層９０としてSiO2層を約０．５μmの厚さに形成する。そして、EBリソグラフィやフォトリソグラフィによりこの保護層９０をパターニングして、レーザアレイ領域Aにおける活性層５４の上方に、活性層用電極窓９０ａとスイッチング用電極窓９０ｃとを形成する。また、そのパターニングにより、光増幅領域Dにおける保護層９０に増幅電極用窓９０ｅが形成される。
【０１９０】
次いで、図４４に示すように、上記した各窓９０ａ、９０ｃ、９０ｅの中と、保護層９０の上とに、蒸着法によりTi層とPt層とをこの順に形成し、これらの金属積層膜を密着層１３２とする。この密着層１３２を構成するTi層の厚さは例えば０．２μmであり、Pt層の厚さは約０．２５μmである。
【０１９１】
その後に、密着層１３２の上に不図示のめっきレジストを形成する。そして、密着層１３２を給電層として使用しながら、上記のめっきレジストと密着層１３２のそれぞれの上に電解めっきによりAu層１３４を厚さ約３．０μmに形成する。そして、このめっきレジストを剥離してAu層１３４をパターニングする。その結果、Au層１３４は、レーザアレイ領域Aのメサの側方のコンタクト領域CRと、上記した各窓９０ａ、９０ｃ、９０ｅの上にのみ残る。
【０１９２】
次に、図４５に示すように、残存するAu層１３４をエッチングマスクにして、このAu層１３４で覆われていない部分の密着層１３２をエッチングして除去する。エッチングされずに残った密着層１３２とAu層１３４は、レーザアレイ領域Aの各窓９０ａ、９０ｃ上において、活性層用電極９２ａ及びスイッチング用電極９２ｃとされる。
【０１９３】
これらの電極のうち、活性層用電極９２ａは、その下方の活性層５４に選択的に電流を注入するように機能する。これに対し、スイッチング用電極９２ｃは、活性層用電極９２ｃとは独立に、図４５のスイッチング領域Yにおける活性層５４に選択的に電流を注入するように機能する。以下では、上記の領域Yのことをスイッチング領域Yとも呼ぶ。
【０１９４】
また、レーザアレイ領域Aのコンタクト領域CRでは、密着層１３２とAu層１３４との金属積層膜が、第２n型InP層１２６を介して中間層１１０に電位を与えるための中間層用電極９２ｆとされる。
【０１９５】
一方、光増幅領域Dの増幅電極用窓９０ｅの上には、上記の金属積層膜が増幅用電極９２ｄとして残される。
【０１９６】
続いて、図４６に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【０１９７】
まず、EBリソグラフィ又はフォトリソグラフィにより保護層９０をパターニングして、コンタクト領域CRの保護層９０にコンタクトホール９０ｆを形成し、第２n型InP層１２６の上面をそのコンタクトホール９０ｆ内に露出させる。
【０１９８】
次に、このコンタクトホール９０ｆの内部を含む全面に、蒸着法を用いて厚さ約０．０５μmのAu-Ge層と厚さ約０．２５μmのAu層とを形成する。その後、EBリソグラフィ若しくはフォトリソグラフィによりこれらの金属積層膜をパターニングして、レーザアレイ領域Aのメサストライプの横に導体パターン１３８として残す。この導体パターン１３８は、コンタクトホール９０ｆを通じて、第２n型InP層１２６と中間層用電極９２ｆとを電気的に接続するように機能する。
【０１９９】
その後に、InP基板５０の裏面を研磨して、InP基板の厚さを例えば１５０μm程度にまで薄くする。
【０２００】
続いて、図４７に示すように、InP基板５０の裏面に、蒸着法によりAu層、Zn層、及びAu層をそれぞれ厚さが０．０１μm、０．０２μm、及び０．２５μmになるように形成し、更にこの上に電解めっきによりAu層を約３μmの厚さに形成して、これらの金属積層膜よりなる屈折率制御層用電極９２ｂを形成する。
【０２０１】
以上により、本実施形態に係る光半導体装置の基本構造が完成した。
【０２０２】
この光半導体装置では、レーザアレイ領域Aにおいて、既述の構造体１１１と、この構造体１１１の上方に形成された活性層用電極９２ａと、InP基板５０の裏面に形成された屈折率制御層用電極９２ｂにより、TTG型の波長可変レーザ素子１４０が構成される。
【０２０３】
そのTTG型の波長可変レーザ素子１４０においては、活性層用電極９２ａからの電流注入によって活性層５４においてレーザ発振が行われる。
【０２０４】
レーザ発振時には、屈折率制御層６０にも屈折率制御層用電極９２ｂから電流が注入され、その電流の注入量を変えることにより、屈折率制御層６０におけるキャリア密度が変化して、プラズマ効果によって屈折率制御層６０の屈折率が変化する。そして、このような屈折率の変化によって、回折格子５２ａの周期から決定される屈折率制御層６０のブラッグ波長も変化し、屈折率制御層６０のフィルタ波長も変化させることができる。
【０２０５】
これにより、活性層５４から発振されるレーザのうち、上記のようにして変化された屈折率制御層６０のフィルタ波長に合う波長のレーザのみが取り出されることになるので、屈折率制御層６０への電流注入量を変えてそのフィルタ波長を変えることにより、レーザ素子１４０から出力されるレーザの波長を変化させることが可能になる。
【０２０６】
図５２は、このTTG型のレーザ素子１４０の平面図であり、上記した図４７のレーザアレイ領域Aにおける第１断面は、図５２のA16−A16線に沿う断面図に相当し、第２断面は同図のA17−A17線に沿う断面図に相当する。
【０２０７】
図５１は、この光半導体装置の平面図である。なお、既述の図４７の各領域B〜Dの断面図は、それぞれ図５１のB13−B13線、C13−C13線、及びD13−D13線に沿う断面図に相当する。
【０２０８】
図５１に示されるように、この光半導体装置のレーザアレイ領域Aには、既述のレーザ素子１４０の他に、該レーザ素子１４０と同じ構造を有する更に三つのTTG型のレーザ素子１４１〜１４３が形成される。
【０２０９】
各レーザ素子１４０〜１４３は、それを構成する回折格子のピッチを変えることにより発振波長が互いに僅かずつずれており、WDMにおいてそれぞれ別々のチャンネルを担う。更に、一つ一つのレーザ素子１４０〜１４３も既述のようにレーザの発振波長が可変であり、各レーザ素子１４０〜１４３のうちの一つでも複数のチャンネルを担うことができる。
【０２１０】
そして、各レーザ素子１４０〜１４３から出力されたレーザは、導波路７４を通って光結合器７６で結合された後、光増幅器９８においてその強度が増幅され、外部に出力される。
【０２１１】
次に、この光半導体装置の動作について説明する。
【０２１２】
図５３は、上記したレーザ素子１４０の動作を説明するための断面図である。なお、図５１に示した残りの三つのレーザ素子１４１〜１４３もこれと同じ構造を有する。また、図５３において、第１実施形態で説明した要素には第１実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【０２１３】
図５３に示されるように、実使用下においては、既述の電極９２ａ、９２ｃ、９２ｂのそれぞれに、活性用電流源１０６、スイッチング用電流源１０７、及び屈折率制御用電流源１０８が電気的に接続されると共に、中間層１１０が電気的に接地される。
【０２１４】
そして、これらの電流源１０６〜１０８からレーザ素子１４０に供給される電流のうち、活性用電流Iactとスイッチング用電流Iswは、それぞれJact(=Iact/L3)及びJsw(=Isw/L4)なる電流密度で活性層５４と中間層１１０との間を流れ、屈折率制御用電流ItuneはJtune(=Itune/L5)なる電流密度で屈折率制御層６０と中間層１１０との間を流れる。なお、上記において、L3とL4は、それぞれ活性用電極９２ａとスイッチング用電極９２ｃのそれぞれの共振器軸方向の長さl3、l4の総和であり、L5は屈折率制御層用電極９２ｂの共振器軸方向の長さである。
【０２１５】
これらの電流Iact、Isw、及びItuneの供給タイミングは、基本的には第１実施形態と同様であって、例えば図２７で説明したタイミングチャートに従う。
【０２１６】
図２７のようなタイミングでは、第１実施形態で説明したように、レーザ素子１４０を発振させる前の時刻Tpに、電流密度がJdriveとなる電流が活性層５４に活性層用予備バイアス電流として予め供給される。このとき、スイッチング電流Iswは供給されていないので、スイッチング領域Y（図５３参照）におけるスイッチング電極９２ｃ下の活性層５４は、これ以外の領域の活性層５４において活性層用予備バイアス電流によって発生する自然放出光を吸収する。これにより、この期間では、自然放出光がレーザ素子１４０内を往復してレーザ発振が発生するのが防止されると共に、自然放出光が後段に漏れるのが防止され、レーザ素子１４０はオフ状態となる。
【０２１７】
そして、活性層５４と屈折率制御層６０内のキャリア密度が熱平衡状態に達するのに必要な時間TE以上の時間が経過した後、スイッチング電流Iswの供給を開始することにより、スイッチング領域Yの活性層５４での自然放出光の吸収を停止する。その結果、活性層５４で発生した自然放出光がレーザ素子１４０内を自由に往復することができるようになり、その自然放出光に起因する光子の誘導放出が活性層５４内で起きる。これにより、レーザ素子１４０においてレーザ発振が行われ、レーザ素子１４０がオン状態になる。
【０２１８】
このようなレーザ素子１４０の駆動方法によれば、レーザ素子１４０をオン状態にする前に、屈折率制御層６０とスイッチング領域Y以外の活性層５４のそれぞれに屈折率制御層用バイアス電流と活性層用予備バイアス電流を流す。そして、活性層５４と屈折率制御層６０におけるキャリア密度等が熱平衡状態になった後で、レーザ素子１４０にスイッチング電流Iswを供給する。これにより、キャリア密度が熱的に揺らいで不安定な波長のままレーザ発振が行われるのを防ぐことができ、波長が安定化された高品位なレーザ光を出力することが可能となる。
【０２１９】
なお、上記では、図２７のタイミングチャートに従う場合を説明したが、第１実施形態で説明した図２９のタイミングチャートに従って各電流Iact、Isw、及びItuneの供給タイミングを制御してもよい。
【０２２０】
更に、図５１に示した複数のレーザ素子１４０〜１４３の間のレーザ出力の切り替え動作については、第３実施形態で説明した図３０のタイミングチャートに従って行うことができる。このような切り替え動作によれば、切り替える前にレーザ素子１４０〜１４３に予め予備バイアス電流を流して活性層５４と屈折率制御層６０のキャリア密度を熱平衡状態にしてあるので、そのキャリア密度が熱平衡状態になるのを待たずに、すぐさまレーザ出力を切り替えることができるので、高速スイッチングが可能なWDM用の光半導体装置を提供することが下方となる。
【０２２１】
更にまた、図５２に示したスイッチング用電極９２ｃでは、レーザ素子１４０の中央部と出力端において、スイッチング用電極９２ｃがストライプ状の活性層５４を覆っているが、スイッチング用電極９２ｃの平面レイアウトはこれに限定されない。例えば、第１実施形態の図２５に示したように、レーザ素子１４０の中央部にのみスイッチング用電極９２ｃを配するようにしてもよい。
【０２２２】
以下に、本発明の特徴を付記する。
【０２２３】
（付記１）  半導体基板と、
前記半導体基板の一方の面上に形成され、少なくとも回折格子、電流注入により光を発生する活性層、及び電流注入により屈折率が変化する屈折率制御層を含む構造体と、
前記構造体の上方と前記半導体基板の他方の面上のいずれかに、互いに独立して形成された活性層用電極、屈折率制御層用電極、及びスイッチング用電極とを備えたレーザ素子を有し、
前記スイッチング用電極から前記活性層の一部にスイッチング電流が供給されていない状態で、前記活性層用電極から前記活性層に活性層用予備バイアス電流を供給すると共に、前記屈折率制御層用電極から前記屈折率制御層に屈折率制御層用バイアス電流を予め供給しておき、次いで、前記活性層用電極から前記活性層に活性用電流を供給しながら、前記スイッチング用電極から前記活性層の一部にスイッチング電流を供給して前記レーザ素子をオン状態にすると共に、
前記スイッチング電流の供給を停止して前記レーザ素子をオフ状態にすることを特徴とする光半導体装置。
【０２２４】
（付記２）  前記レーザ素子が少なくとも二つ設けられ、一方の該レーザ素子がオン状態のときに、他方の前記レーザ素子に前記予備バイアス電流を供給しておき、
前記一方のレーザ素子をオフ状態にするときに、前記他方のレーザ素子へ前記スイッチング電流を供給して前記他方のレーザ素子をオン状態にすることにより、前記一方のレーザ素子から前記他方のレーザ素子にレーザ出力を切り替えることを特徴とする付記１に記載の光半導体装置。
【０２２５】
（付記３）  前記レーザ素子毎に設けられ、該レーザ素子からの光信号が通る光導波路と、
前記光導波路のそれぞれを通った前記光信号を結合する光結合器と、
前記光結合器から出力された前記光信号の強度を増幅する光増幅器とを有することを特徴とする付記２に記載の光半導体装置。
【０２２６】
（付記４）  前記活性層用予備バイアス電流の電流密度は、前記レーザ素子がオン状態のときの前記活性用電流の電流密度よりも大きく設定されたことを特徴とする付記１に記載の光半導体装置。
【０２２７】
（付記５）  前記屈折率制御層用電極から前記屈折率制御層に屈折率制御用電流を供給することにより該屈折率制御層の屈折率を変化させ、該屈折率に応じた波長のレーザ光を前記レーザ素子から出力させることを特徴とする付記１に記載の光半導体装置。
【０２２８】
（付記６）  前記スイッチング用電極は、前記レーザ素子の出力端に形成されたことを特徴とする付記１に記載の光半導体装置。
【０２２９】
（付記７）  前記スイッチング用電極は、前記レーザ素子の中央部に形成されたことを特徴とする付記１に記載の光半導体装置。
【０２３０】
（付記８）  前記活性層用電極に電気的に接続された活性用電流源と、
前記屈折率制御層に電気的に接続された屈折率制御用電流源と、
前記スイッチング用電極に電気的に接続されたスイッチング用電流源と、
前記活性用電流源、前記屈折率制御用電流源、及び前記スイッチング用電流源から供給される電流量を制御する制御部とを有することを特徴とする付記１に記載の光半導体装置。
【０２３１】
（付記９）  前記構造体は、
前記回折格子と、
前記回折格子の上に形成されたスペーサ層と、
前記スペーサ層の上において、レーザの発振方向に交互に配列された前記活性層及び前記屈折率制御層と、
前記活性層上と前記屈折率制御層上とに形成されたクラッド層とを有することを特徴とする付記１に記載の光半導体装置。
【０２３２】
（付記１０）  前記活性層用電極と前記屈折率制御層用電極は、いずれも櫛歯状の平面形状を有しており、櫛歯を組みあせるようにして前記構造体の上方に形成され、
前記スイッチング用電極も前記構造体の上方に形成されたことを特徴とする付記９に記載の光半導体装置。
【０２３３】
（付記１１）  前記構造体は、
前記回折格子と、
前記回折格子の上に形成されたスペーサ層と、
前記スペーサ層の上に形成された前記屈折率制御層と、
前記屈折率制御層の上に形成された中間層と、
前記中間層の上に形成された前記活性層と、
前記活性層の上に形成されたクラッド層とを有することを特徴とする付記１に記載の光半導体装置。
【０２３４】
（付記１２）  前記活性層用電極と前記スイッチング用電極は前記構造体の上方に形成され、
前記屈折率制御層用電極は前記半導体基板の他方の面上に形成され、
前記中間層に中間層用電極が電気的に接続されたことを特徴とする付記１２に記載の光半導体装置。
【０２３５】
（付記１３）  前記レーザ素子は、TTG(Tunable Twin-Guide)型のレーザ素子であることを特徴とする付記１１に記載の光半導体装置。
【０２３６】
（付記１４）  半導体基板と、
前記半導体基板の一方の面上に形成され、少なくとも回折格子、電流注入により光を発生する活性層、及び電流注入により屈折率が変化する屈折率制御層を含む構造体と、
前記構造体の上方と前記半導体基板の他方の面上のいずれかに、互いに独立して形成された活性層用電極、屈折率制御層用電極、及びスイッチング用電極とを備えたレーザ素子を有する光半導体装置の駆動方法であって、
前記スイッチング用電極から前記活性層にスイッチング電流が供給されていない状態で、前記活性層用電極から前記活性層に活性層用予備バイアス電流を供給すると共に、前記屈折率制御層用電極から前記屈折率制御層に屈折率制御層用バイアス電流を予め供給しておき、次いで、前記活性層用電極から前記活性層に活性用電流を供給しながら、前記スイッチング用電極から前記活性層の一部にスイッチング電流を供給して前記レーザ素子をオン状態にすると共に、
前記スイッチング電流の供給を停止して前記レーザ素子をオフ状態にすることを特徴とする光半導体装置の駆動方法。
【０２３７】
（付記１５）  前記レーザ素子が少なくとも二つ設けられ、一方の該レーザ素子がオン状態のときに、他方の前記レーザ素子に前記予備バイアス電流を供給しておき、
前記一方のレーザ素子をオフ状態にするときに、前記他方のレーザ素子へ前記スイッチング電流を供給して前記他方のレーザ素子をオン状態にすることにより、前記一方のレーザ素子から前記他方のレーザ素子にレーザ出力を切り替えることを特徴とする付記１４に記載の光半導体装置の駆動方法。
【０２３８】
（付記１６）  前記活性層用予備バイアス電流の電流密度を、前記レーザ素子がオン状態における前記活性用電流の電流密度よりも大きく設定することを特徴とする付記１４に記載の光半導体装置の駆動方法。
【０２３９】
（付記１７）  前記レーザ素子がオン状態のときに、前記屈折率制御層用電極から前記屈折率制御層に屈折率制御用電流を供給することにより該屈折率制御層の屈折率を変化させ、該屈折率に応じた波長のレーザ光を前記レーザ素子から出力させることを特徴とする付記１４に記載の光半導体装置の駆動方法。
【図面の簡単な説明】
【０２４０】
【図１】図１は、従来例に係るアレイ集積型の波長可変光半導体装置の斜視図である。
【図２】図２は、従来例に係るDBRレーザの断面図である。
【図３】図３は、従来例に係るTTG-DFBレーザの断面図である。
【図４】図４は、従来例に係る光半導体装置の平面図である。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。
【図７】図７は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その３）である。
【図８】図８は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その４）である。
【図９】図９は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その５）である。
【図１０】図１０は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その６）である。
【図１１】図１１は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その７）である。
【図１２】図１２は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その８）である。
【図１３】図１３は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その９）である。
【図１４】図１４は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１０）である。
【図１５】図１５は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１１）である。
【図１６】図１６は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１２）である。
【図１７】図１７は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１３）である。
【図１８】図１８は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１４）である。
【図１９】図１９は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１５）である。
【図２０】図２０は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１６）である。
【図２１】図２１は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の平面図（その１）である。
【図２２】図２２は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の平面図（その２）である。
【図２３】図２３は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の平面図（その３）である。
【図２４】図２４は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の平面図（その４）である。
【図２５】図２５は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置が備えるレーザ素子の平面図である。
【図２６】図２６は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置が備えるレーザ素子の動作を説明するための断面図である。
【図２７】図２７は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置への電流供給のタイミングを示すタイミングチャートである。
【図２８】図２８は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置が備えるレーザ素子の閾値電流を調査して得られたグラフである。
【図２９】図２９は、本発明の第２実施形態に係る光半導体装置への電流供給のタイミングを示すタイミングチャートである。
【図３０】図３０は、本発明の第３実施形態において、光半導体装置が備えるレーザ素子間でレーザ出力を切り替える場合のタイミングチャートである。
【図３１】図３１は、本発明の第４実施形態に係る光半導体装置が備えるレーザ素子の平面図である。
【図３２】図３２は、本発明の第４実施形態に係る光半導体装置が備えるレーザ素子の動作を説明するための断面図である。
【図３３】図３３は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。
【図３４】図３４は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。
【図３５】図３５は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その３）である。
【図３６】図３６は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その４）である。
【図３７】図３７は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その５）である。
【図３８】図３８は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その６）である。
【図３９】図３９は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その７）である。
【図４０】図４０は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その８）である。
【図４１】図４１は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その９）である。
【図４２】図４２は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１０）である。
【図４３】図４３は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１１）である。
【図４４】図４４は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１２）である。
【図４５】図４５は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１３）である。
【図４６】図４６は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１４）である。
【図４７】図４７は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１５）である。
【図４８】図４８は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の平面図（その１）である。
【図４９】図４９は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の平面図（その２）である。
【図５０】図５０は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の平面図（その３）である。
【図５１】図５１は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の製造途中の平面図（その４）である。
【図５２】図５２は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置が備えるレーザ素子の平面図である。
【図５３】図５３は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置が備えるレーザ素子の動作を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【０２４１】
１、１０、２０…化合物半導体基板、２…波長可変レーザ素子、３…曲がり導波路、４…光結合器、５…光増幅器、１１、２１…回折格子、１２、２２…スペーサ層、１３、２３…屈折率制御層、１４、２５…活性層、１５、２６…クラッド層、１６ａ〜１６ｂ…第１〜第３電極、１８ａ…活性領域、１８ｂ…位相制御領域、１８ｃ…回折格子領域、１９、２９…レーザ光、２４…中間層、２７…第１電極、２８…第２電極、３０ａ…レーザアレイ領域、３０ｂ…スイッチ領域、３１…活性層用電極、３２…屈折率制御層用電極、３３…発振用活性層、３４…屈折率制御層、３５…レーザ素子、３６…スイッチング電極、３７…スイッチング用活性層、３８…ゲート素子、３９…光導波路、４０…光結合器、４１…増幅用活性層、４２…増幅用電極、４３…光増幅器、４９…出力光、５０…InP基板、５１…バッファ層、５２…半導体層、５２ａ…回折格子、５３…スペーサ層、５４…活性層、５６…クラッド層、５６ａ…第１クラッド層、５６ｂ…第２クラッド層、５８…第１マスク層、５８ａ…第１窓、５９…第１開口、６０…屈折率制御層、６１…構造体、６２…第２マスク層、６２ａ…第２窓、６２ｂ…第３窓、６４…第２開口、６６…第３開口、６８…下部クラッド層、７０…コア層、７２…上部クラッド層、７４…光導波路、７６…光結合器、７８…第３マスク層、８２…埋め込み層、８４…電流ブロック層、８６…クラッド層の上側層、８８…コンタクト層、９０…保護層、９０ａ…活性層用電極窓、９０ｂ…屈折率制御層用窓、９０ｃ…スイッチング用電極窓、９０ｅ…増幅電極用窓、９０ｆ…コンタクトホール、９２ａ…活性層用電極、９２ｂ…屈折率制御層用電極、９２ｃ…スイッチング用電極、９２ｄ…増幅用電極、９２ｆ…中間層用電極、９８…光増幅器、１００〜１０３…波長可変レーザ素子、１００ａ…レーザ素子の中央部、１００ｂ…レーザ素子の出力端、１０６…活性用電流源、１０７…スイッチング用電流源、１０８…屈折率制御用電流源、１０９…制御部、１１０…中間層、１１１…構造体、１１２…第１マスク層、１１２ａ…第１窓、１１２ｂ…第２窓、１１４…第１開口、１１６…第２開口、１１８…第２マスク層、１２０…埋め込み層、１２２…第１n型InP層、１２４…第１p型InP層、１２６…第２n型InP層、１２８…第２p型InP層、１３０…第３n型InP層、１３２…密着層、１３４…Au層、１３８…導体パターン、１４０〜１４３…波長可変レーザ素子。
【図１】
2006286928.tif 000003
【図２】
2006286928.tif 000004
【図３】
2006286928.tif 000005
【図４】
2006286928.tif 000006
【図５】
2006286928.tif 000007
【図６】
2006286928.tif 000008
【図７】
2006286928.tif 000009
【図８】
2006286928.tif 000010
【図９】
2006286928.tif 000011
【図１０】
2006286928.tif 000012
【図１１】
2006286928.tif 000013
【図１２】
2006286928.tif 000014
【図１３】
2006286928.tif 000015
【図１４】
2006286928.tif 000016
【図１５】
2006286928.tif 000017
【図１６】
2006286928.tif 000018
【図１７】
2006286928.tif 000019
【図１８】
2006286928.tif 000020
【図１９】
2006286928.tif 000021
【図２０】
2006286928.tif 000022
【図２１】
2006286928.tif 000023
【図２２】
2006286928.tif 000024
【図２３】
2006286928.tif 000025
【図２４】
2006286928.tif 000026
【図２５】
2006286928.tif 000027
【図２６】
2006286928.tif 000028
【図２７】
2006286928.tif 000029
【図２８】
2006286928.tif 000030
【図２９】
2006286928.tif 000031
【図３０】
2006286928.tif 000032
【図３１】
2006286928.tif 000033
【図３２】
2006286928.tif 000034
【図３３】
2006286928.tif 000035
【図３４】
2006286928.tif 000036
【図３５】
2006286928.tif 000037
【図３６】
2006286928.tif 000038
【図３７】
2006286928.tif 000039
【図３８】
2006286928.tif 000040
【図３９】
2006286928.tif 000041
【図４０】
2006286928.tif 000042
【図４１】
2006286928.tif 000043
【図４２】
2006286928.tif 000044
【図４３】
2006286928.tif 000045
【図４４】
2006286928.tif 000046
【図４５】
2006286928.tif 000047
【図４６】
2006286928.tif 000048
【図４７】
2006286928.tif 000049
【図４８】
2006286928.tif 000050
【図４９】
2006286928.tif 000051
【図５０】
2006286928.tif 000052
【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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